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　引言

        壓力變送器是一種將壓力轉換成氣動(dòng)信號或電動(dòng)信號進(jìn)行控制和遠傳的設備。它能感受壓力并將壓力信號轉變?yōu)榭蓚魉偷臉藴瘦敵鲂盘?，?4 ~ 20 mA 電流信號或 1~5 V 電壓信號。壓力變送器因其具有工作可靠、準確度等級高、性能穩定、抗干擾能力強和測量信號傳輸距離遠等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現場(chǎng)得到了廣泛的使用。壓力變送器根據壓力類(lèi)型可以分為表壓變送器、差壓變送器和絕壓變送器。

 

        表壓力是指高于大氣壓的絕對壓力與大氣壓之差，或者相對將大氣壓作為零壓力就稱(chēng)為表壓力。一般壓力儀表，若無(wú)特殊裝置，其零點(diǎn)壓力實(shí)際就是當時(shí)的大氣壓，表壓力常用 pg 表示。差壓是指兩個(gè)壓力之間的差值，或者是以大氣壓力以外的任意壓力作為零點(diǎn)所表示的壓力，用 pd表示。

 

        絕對壓力（簡(jiǎn)稱(chēng)絕壓）是相對于絕對真空所測得的壓力，即從完全的零壓力開(kāi)始所測得的壓力。它是液體、氣體或蒸汽所處空間的全部壓力，也叫不帶條件起算的全壓力。一般用 pa 或者 abs 表示絕對壓力。

 

        從結構上來(lái)說(shuō)，表壓和差壓變送器的低壓室膜片直接與大氣接觸，處于大氣壓環(huán)境時(shí)即為其壓力零點(diǎn)。輸出信號為 4~20 mA 的表壓或差壓變送器在大氣壓環(huán)境中的理論輸出電流值（簡(jiǎn)稱(chēng)理論輸出值）為 4 mA。該類(lèi)變送器在校準過(guò)程中若出現零點(diǎn)漂移現象，可利用調整工具在大氣壓環(huán)境下直接對其進(jìn)行零點(diǎn)調整。對于輸出信號為 4~20 mA 的絕壓變送器，其在真空狀態(tài)下的理論輸出值才為 4 mA，而現實(shí)條件下完全真空是不可能實(shí)現的。因此，在實(shí)際校準過(guò)程中對絕壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)調整時(shí)，應該考慮系統真空度對其零點(diǎn)產(chǎn)生的影響。

 

1　絕壓變送器的零位漂移

        在分析歷年來(lái)客戶(hù)送檢變送器的校準數據時(shí)發(fā)現，相對于表壓與差壓變送器，絕壓變送器更容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，有的甚至在周期檢定時(shí)輸出值已嚴重超差。例如，分析某核電公司每年周期送檢的大量 ROSEMOUNT 的 3051 系列變送器數據時(shí)發(fā)現，對于該系列的表壓和差壓變送器，其周期穩定性較好，零位漂移較小，測量誤差與回程誤差均在允許范圍內；而反觀(guān)該系列的絕壓變送器，往往零位漂移嚴重，偏差較大。分析其原因，主要有以下幾點(diǎn)：

 

        1）測量原理與結構方面，3051 系列的壓力變送器工作時(shí)，介質(zhì)壓力通過(guò)變送器高、低側的隔離膜片和灌充油傳遞到 δ 室中心的測量膜片，該測量膜片是一張緊的彈性元件，用于檢測作用在測量膜片上的差壓。測量膜片的位移與差壓成正比。測量膜片的位置由它兩側的電容固定極板通過(guò)直接數字電容電路檢測出來(lái)，如圖 1 所示。

 

        對于表壓和差壓變送器，大氣壓如同時(shí)施壓在傳感膜片的低壓側，在高壓側無(wú)壓力作用下，膜片兩端為對稱(chēng)結構，容易實(shí)現壓力平衡。但是，對于絕壓變送器，其低壓側始終保持一個(gè)參考壓力（即高真空基準室），這樣傳感器膜片兩端為非對稱(chēng)結構，也就是無(wú)論參考腔體漏氣還是材料變形等因素均會(huì )導致零位變動(dòng)，即發(fā)生零位漂移。

2）使用現場(chǎng)環(huán)境影響

        絕壓變送器的穩定性受溫度影響較大。例如，核工廠(chǎng)內的冷卻水管道上使用的變送器，往往接觸介質(zhì)的溫度可達 100 ℃。當這些絕壓變送器在高溫、真空狀態(tài)下工作時(shí)，腔體內的隔離膜片因真空而外鼓，于是密封系統內的壓力降低，填充液黏度隨著(zhù)下降，從而導致硅油的揮發(fā)性增強，沸點(diǎn)降低，熱膨脹性增強，出現硅油部分氣化、體積膨脹，使隔離膜片變形，進(jìn)而產(chǎn)生零位漂移。而當這些儀表送進(jìn)計量實(shí)驗室進(jìn)行周期檢定時(shí)，應在 JJG 882-2004《壓力變送器》檢定規程中規定的環(huán)境條件進(jìn)行計量檢定，并應按照檢定規程的要求對變送器的零點(diǎn)進(jìn)行調整。

 

3）使用人員的錯誤調整

        本院每年都會(huì )接收到數百臺送檢的絕壓變送器，其中，有些企業(yè)的一批量絕壓變送器均出現示值超差現象，究其原因發(fā)現，該企業(yè)儀表檢修人員在檢修絕壓變送器時(shí)常常會(huì )發(fā)生調整錯誤。例如，某單位送檢的一批 3051 系列 10 MPa 量程、4~20 mA 輸出的絕壓變送器，其在“真空狀態(tài)”（即計量設備所能達到的非常大真空度）下的實(shí)際輸出電流值（簡(jiǎn)稱(chēng)“實(shí)際輸出值”）均比理論輸出值小。分析原因發(fā)現，10 MPa 量程的絕壓變送器在大氣壓環(huán)境下（標準大氣壓為 101.321 kPa）的理論輸出值為 4.162 mA，接近于 4 mA，這時(shí)，很多檢修人員會(huì )誤把這批變送器當作表壓變送器處理，在大氣壓環(huán)境下直接對其進(jìn)行清零操作而導致這些變送器在“真空狀態(tài)”的實(shí)際輸出值會(huì )低于理論輸出值。相對“零點(diǎn)”調整的誤操作，有些企業(yè)常常會(huì )對絕壓變送器的滿(mǎn)量程進(jìn)行錯誤調整。例如，量程為 0~100 kPa、4~20 mA 輸出的絕壓變送器，其在 100 kPa 絕壓下的理論輸出值應為 20 mA，若在當地大氣壓為 102 kPa 時(shí)，其理論輸出電流應為 20.32 mA。當檢修人員發(fā)現這些變送器的輸出電流高于 20 mA 時(shí)，會(huì )誤在大氣壓狀態(tài)下對該表進(jìn)行滿(mǎn)量程電流調整，致使該變送器量程擴大，也對其零位電流產(chǎn)生了影響。

 

2　絕壓變送器校準過(guò)程中的零點(diǎn)調整

        目前，對絕壓變送器采用壓力控制器配合機械泵的方法進(jìn)行檢定與校準，見(jiàn)圖 2 所示。

        采 用 FLUKE PPC4 壓 力 控 制 器 作 為 壓 力 標 準器，其量程為 0~110 kPa，非常大允許誤差為 ±0.01%。機械泵采用 EDWARDS 的 RV5 系列，極限壓力為 3 Pa。在使用該套設備對絕壓變送器進(jìn)行檢定和校準時(shí)發(fā)現，由于各連接管路線(xiàn)路較長(cháng)且無(wú)法實(shí)現線(xiàn)路的完全密封，實(shí)際使用過(guò)程中系統極限壓力僅能穩定在絕壓 50 Pa 左右。

 

        在對壓力變送器進(jìn)行測量誤差項目的校準時(shí)，依據 JJG 882-2004 中 6.2.3.3 條的規定進(jìn)行操作：檢定前，用改變輸入壓力的辦法對輸出下限值和上限值進(jìn)行調整，使其與理論的下限值和上限值一致。一般可以通過(guò)調整“零點(diǎn)”和“滿(mǎn)量程”來(lái)完成。由于設備的局限性，日常檢定校準工作中，只能以50 kPa 真空度作為絕壓零位對絕壓變送器進(jìn)行零點(diǎn)調整。在對一系列不同量程的絕壓變送器調整過(guò)程中發(fā)現：按照同樣方法調校大量程絕壓變送器（一般指絕壓變送器量程大于大氣壓）非常終測量誤差滿(mǎn)足準確度要求，線(xiàn)性合乎標準。但是對于小量程絕壓變送器（一般指絕壓變送器量程小于大氣壓），其線(xiàn)性與準確度往往不符合要求。分析原因可以發(fā)現，對于大量程絕壓變送器，如對準確度等級 0.1 級、測量范圍 0~100 kPa 的絕壓變送器進(jìn)行校準時(shí)，當系統抽到真空 50 Pa 時(shí)，此時(shí)該絕壓變送器理論輸出電流為 4.008 mA，如以此為絕壓零位，將絕壓變送器輸出值調整為 4 mA，再加壓至絕壓 100 kPa，將輸出值調整為 20 mA。調校成功后依據檢定規程對其輸出值進(jìn)行校準，發(fā)現測量誤差和線(xiàn)性均符合要求。分析可知，對于 0.1 級，測量范圍為 0 ~ 100 kPa、輸出值為 4 ~ 20 mA 的絕壓變送器，其輸出的非常大允許誤差為 0.016 mA。

 

        在使用真空系統對其進(jìn)行零點(diǎn)調整時(shí)，舍去的 0.008 mA在其誤差允許范圍內，因此，以絕壓 50 Pa 為絕壓零位調零，不會(huì )對其線(xiàn)性產(chǎn)生影響。但是，對于小量程絕壓變送器，如對準確度等級 0.1 級、測量范圍為 0 ~ 40 kPa abs 的絕壓變送器進(jìn)行檢定時(shí)，當壓力穩定在絕壓 50 Pa 時(shí)，絕壓變送器理論輸出值為4.020 mA，該電流值大于絕壓變送器的非常大允許誤差值 0.016 mA。因此，調零舍去的電流值會(huì )對其測量誤差造成影響，導致絕壓變送器測量誤差超差。另外，JJG 882-2004 中 6.2.3.3 條規定，絕壓變送器的零點(diǎn)絕對壓力應盡可能小，由此引起的誤差應不超過(guò)允許誤差的 1/20~1/10。對于 4 ~ 20 mA 輸出的 0.1 級絕壓變送器，其允許誤差為 ±0.016 mA，按照該條規定，零點(diǎn)絕對壓力引起的誤差應不超過(guò)±（0.000 8~0.001 6）mA，而對于目前實(shí)驗室使用的校準系統，其 50 Pa 的極限真空度所引起的誤差已經(jīng)遠遠超過(guò)了規程規定的絕壓變送器的零點(diǎn)絕對壓力誤差要求。因此，想要使用該系統對絕壓變送器零點(diǎn)調整，必須進(jìn)行改進(jìn)。

 

3　解決辦法

        為保證絕壓變送器的零點(diǎn)絕對壓力盡可能小，一種方法是使用真空泵對變送器進(jìn)行直接抽壓，如圖 3 所示

        該方法可以避免氣路過(guò)長(cháng)和控制器等產(chǎn)生的泄露對機械泵真空度的影響，使用機械泵對絕壓變送器直接抽壓。輸出電流恒定不變時(shí)，可認為此時(shí)壓力穩定在了真空泵的極限壓力處，可以進(jìn)行零點(diǎn)調整。該方法避免了系統不必要的泄漏對真空度的影響，但由于系統連接管路細且短，其真空度難以穩定，且無(wú)法顯示系統實(shí)時(shí)真空值，因此，實(shí)際校準過(guò)程中無(wú)法使用該方法。

 

        為了保證系統可以穩定在較小的真空度并可以實(shí)時(shí)顯示，在結合真空校準的基礎上，提出使用“分子泵 - 機械泵”雙級泵真空系統來(lái)實(shí)驗絕壓變送器的零點(diǎn)調整與低值讀取。具體設計原理如圖 4 所示。

        被檢絕壓變送器安裝完畢后，進(jìn)行抽真空操作，開(kāi)啟機械泵及相應閥門(mén)，低真空計顯示 20 Pa 以下后，打開(kāi)電磁閥，啟動(dòng)分子泵；低真空計顯示 0.1 Pa 以下時(shí)開(kāi)啟高真空計查看真空度； 該設備結合真空計量的方法，可以實(shí)現機械泵與分子泵的轉換，并實(shí)時(shí)顯示系統真空度，采用薄膜真空計作為標準器，可以通過(guò)校準溯源至真空標準，進(jìn)而完成低真空度下絕壓變送器的零點(diǎn)調整。

 

4　結語(yǔ)

        絕壓變送器在實(shí)際使用過(guò)程中，由于環(huán)境因素、人為因素等影響，往往會(huì )產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。因此，當絕壓變送器送至實(shí)驗室進(jìn)行校準時(shí)，常常需要零點(diǎn)調整。本文在目前使用的壓力變送器校準裝置基礎上，分析了不同量程下絕壓變送器因零點(diǎn)調整產(chǎn)生的線(xiàn)性誤差影響。非常后針對小量程絕壓變送器，提出了一種使用“分子泵 - 機械泵”雙級泵真空系統來(lái)進(jìn)行零點(diǎn)調整的方法，取得了較好的實(shí)驗效果。